Agenzia nazionale per le nuove tecnologie,
l’energia e lo sviluppo economico sostenibile
MINISTERO DELLO SVILUPPO ECONOMICO
Sviluppo di un modello di rete termica per
il teleraffrescamento e valutazione delle
differenti configurazioni impiantistiche
Francesca Bonfà, Biagio Di Pietra, Giovanni Puglisi
Report RdS/ 2013/116
SVILUPPO DI UN MODELLO DI RETE TERMICA PER IL TELERAFFRESCAMENTO E VALUTAZIONE DELLE
DIFFERENTI CONFIGURAZIONI IMPIANTISTICHE
Francesca Bonfà, Biagio Di Pietra, Giovanni Puglisi (ENEA)
Settembre 2013
Report Ricerca di Sistema Elettrico
Accordo di Programma Ministero dello Sviluppo Economico – ENEA
Piano Annuale di Realizzazione 2012
Area: Razionalizzazione e risparmio nell’uso dell’energia elettri
Progetto: C1 Risparmio di energia elettrica nei settori: civile, industria e servizi
Obiettivo: Reti di poligenerazione distribuita
Responsabile del Progetto: Ilaria Bertini, ENEA
Con il contributo di Fabio Zanghirella (ENEA UTEE)
Gli autori desiderano ringraziare Giorgio Cucca e Andrea Porcu (Università di Cagliari) che hanno partecipato al progetto durante il
lavoro di tesi.
Indice
SOMMARIO ......................................................................................................................................................................... 4
1
TIPOLOGIE DI RETI DI TELERISCALDAMENTO E TELERAFFRESCAMENTO ................................................................... 5
2
LA RETE DI TELERAFFRESCAMENTO ........................................................................................................................... 5
2.1
LE UTENZE DELLA RETE............................................................................................................................................. 6
2.1.1 Descrizione edifici simulati ............................................................................................................................ 6
2.2
I SISTEMI DI GENERAZIONE DELL’ENERGIA E LE MODALITÀ DI GESTIONE .............................................................................. 7
2.3
PROFILI DI UTILIZZO E DI CARICO ................................................................................................................................ 8
2.3.1 Profilo numero di ricambi d'aria ................................................................................................................... 8
2.3.2 Profilo occupazione ..................................................................................................................................... 10
2.3.3 Profilo illuminazione ................................................................................................................................... 11
3
DESCRIZIONE RETE ................................................................................................................................................... 12
3.1
3.2
4
FASE 1. VALUTAZIONI PARAMETRICHE DI EFFICIENZA ............................................................................................ 19
4.1
5
CARATTERISTICHE DIMENSIONALI E FUNZIONALI .......................................................................................................... 12
INTEGRAZIONI AL MODELLO DI RETE TERMICA ............................................................................................................. 18
CALIBRAZIONE DEL BLOCCO PER IL CALCOLO DELLE PERDITE ........................................................................................... 19
FASE 2 - CONTROLLO TEMPERATURE E POTENZA DI RETE. ..................................................................................... 22
5.1
DISTRIBUZIONE TEMPERATURA NEI TRATTI DI RETE ...................................................................................................... 22
5.1.1 Distribuzione temperatura tratti di mandata rete ...................................................................................... 22
5.2
DISTRIBUZIONE PERDITE TERMICHE RETE ................................................................................................................... 27
6
FASE 3. DESCRIZIONE E MODELLAZIONE BLOCCHI DELLO SCHEMA RETE ............................................................... 29
6.1
DESCRIZIONE MODELLO CENTRALE TERMICA............................................................................................................... 29
6.2
MOTORE PRIMO .................................................................................................................................................. 31
6.3
MACCHINA FRIGORIFERA AD ASSORBIMENTO NELLA GENERAZIONE CENTRALIZZATA ........................................................... 34
6.4
MACCHINA FRIGORIFERA AD ASSORBIMENTO NELLA GENERAZIONE DISTRIBUITA ................................................................ 35
6.5
SISTEMA DI DISTRIBUZIONE..................................................................................................................................... 37
6.6
SCAMBIATORI RETE/UTENZA ................................................................................................................................... 38
6.6.1 Scambiatore invernale ................................................................................................................................ 38
6.6.2 Scambiatore estivo...................................................................................................................................... 41
6.7
CONTROLLO MOTORE ............................................................................................................................................ 43
7
DESCRIZIONE SCENARI ............................................................................................................................................. 45
7.1
7.2
7.3
7.4
8
SCENARIO ZERO ................................................................................................................................................... 45
LO SCENARIO CON GENERAZIONE CENTRALIZZATA ....................................................................................................... 48
LO SCENARIO CON GENERAZIONE DISTRIBUITA ............................................................................................................ 48
OTTIMIZZAZIONE MODALITÀ DI GESTIONE UTENZE ....................................................................................................... 51
RISULTATI SIMULAZIONI .......................................................................................................................................... 52
8.1
DETERMINAZIONE INDICI ENERGETICI........................................................................................................................ 54
9
CONCLUSIONI ........................................................................................................................................................... 57
10
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI .................................................................................................................................... 58
3
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Sommario
Il presente lavoro riguarda la modellazione di una microrete termica in assetto trigenerativo. Le attività
sviluppate mirano a caratterizzare e a modellizzare le due configurazioni impiantistiche di rete diffuse nel
parco nazionale di produzione e precisamente: sistema di generazione di energia frigorifera in centrale
termica e sistema di generazione di energia frigorifera delocalizzata presso le utenze. Gli obiettivi del
presente lavoro sono rivolti allo sviluppo di un tool di simulazione, in ambiente Matlab Simulink , per la
modellazione termodinamica di una rete di teleraffrescamento e del matching dei relativi componenti. La
determinazione di un tool di simulazione, quale strumento di analisi delle prestazioni, delle modalità di
gestione e della redditività economica delle micro-reti energetiche, è fondamentale per definire le
opportunità che il settore delle reti può offrire alla collettività sociale , in termini di efficienza energetica.
Infine, dopo aver definito il modello ottimale di microrete termica, al fine di sopperire alla mancanza di dati
sperimentali sulle reti reali, di simili caratteristiche, si è proceduto al calcolo di alcuni indici come:
Rendimento di Primo Principio , Trigeneration Primary Energy Saving (TPES) e Fuel Energy Saving Ratio
(FESR)
Il confronto degli indici con i dati disponibili in letteratura conferma la buona rispondenza, a dimostrazione
della validità del software sviluppato.
4
1 Tipologie di reti di teleriscaldamento e teleraffrescamento
Dall’analisi delle tipologie di reti utilizzate nel teleriscaldamento e teleraffrescamento e, a partire dal lavoro
svolto nella annualità precedente sulla modellazione delle reti di teleriscaldamento, si è scelto di
implementare (in ambiente Matlab-Simulink) le due configurazioni più diffuse:


Rete singola con generazione centralizzata del fluido termovettore. Essa presenta un unico sistema di
distribuzione in cui alternativamente viene inviato alla rete il fluido termovettore "caldo" o "freddo".
La centrale termica è composta da un generatore termico abbinato a una macchina frigorifera ad
assorbimento (MFA) che nel periodo estivo fornisce l'energia frigorifera, sfruttando il calore
recuperato dal motore primo (scenario con generazione centralizzata) .
Rete singola con generazione centralizzata del fluido termovettore caldo e generazione distribuita
del fluido freddo, anche questa tipologia presenta un unico sistema di distribuzione del fluido
termovettore ad alta temperatura. La centrale termica è quindi composta da un generatore termico
che si interfaccia nel periodo estivo con delle macchine frigorifere ad assorbimento installate presso
le utenze (scenario con generazione distribuita).
La scelta del sistema di generazione termica è ricaduta sulle macchine che maggiormente sono usate negli
impianti reali, cioè un motore a combustione interna in assetto cogenerativo per la generazione del calore
e una macchina frigorifera ad assorbimento per la produzione del freddo. Bisogna qui specificare che
nonostante le macchine frigorifere a compressione siano molto diffuse, nei modelli sviluppati delle reti di
teleraffrescamento non sono state inserite, in quanto da un punto di vista implementativo rappresentano,
sotto il profilo della gestione e del controllo, una notevole semplificazione del modello.
Al fine di valutare la tipologia energeticamente più conveniente, è stata definita una configurazione di
riferimento per effettuare un’analisi comparativa delle due configurazioni. In essa ciascuna utenza è
asservita ad un sistema di generazione “calda” e “fredda” autonomo ( “scenario zero”). Il confronto è stato
eseguito, effettuando sia la valutazione dei consumi di energia di ciascuna configurazione rispetto allo
scenario zero e sia attraverso la determinazione di idonei indici implementati nel modello che, consentono
di valutare le prestazioni energetiche dei singoli scenari.
Di seguito saranno descritti in dettaglio i singoli scenari, il modello della rete e illustrati i risultati delle
simulazioni effettuate.
2 La rete di teleraffrescamento
La scelta del tipo di rete di teleraffrescamento è stata effettuata basandosi sui profili di carico delle utenze
e sulle potenze in gioco atte a garantire la fornitura di energia termica richiesta. Da una valutazione
energetica- funzionale delle configurazioni, sopra richiamate, è emerso che la rete più adatta al caso in
esame è quella di tipo radiale.
La rete, come si vedrà successivamente, verrà simulata per differenti condizioni climatiche ambientali,
essendo determinante la loro incidenza sui carichi delle utenze e conseguentemente sulle prestazioni
offerte dalla rete.
Nell’ottica di ottenere dei dati rappresentativi delle condizioni reali, gli scenari di simulazione sono stati
sviluppati per tre zone climatiche italiane. Precisamente, le simulazioni sono state effettuate per la città di
Milano (zona climatica E), la città di Roma (zona climatica D) e la città di Palermo (zona climatica B) nei tre
scenari: scenario zero, scenario con generazione centralizzata e scenario con generazione distribuita.
Per le simulazioni, le utenze scelte sono identiche per tutti gli scenari.
5
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Si evidenzia che sia la modellazione della rete e sia la scelta del motore primo, nonchè degli scenari da
simulare, è stata fortemente influenzata dalle piccole taglie di potenza in gioco. La scelta del motore primo
più adatto al caso è ricaduta su un MCI, poiché garantisce un rendimento elettrico elevato, in rapporto alla
taglia, anche in condizioni di funzionamento parziale.
2.1 Le utenze della rete
Nel presente paragrafo si descrivono in dettaglio le caratteristiche termo-fisiche degli edifici e i profili di
utilizzo di ciascuna utenza, per ogni scenario di simulazione. In particolare, verranno analizzate le modalità
di gestione degli impianti e i profili di carico degli edifici relativi all’occupazione, alle infiltrazioni e
all’illuminazione.
2.1.1
Descrizione edifici simulati
Nel modello di simulazione è presente il blocco edifici che consente di effettuare il calcolo dei carichi, la cui
valutazione è fondamentale nell’ottica di una gestione ottimale della rete energetica.
Al fine di ottenere dei profili di carico più vicini alla realtà, sono stati scelti degli edifici eterogenei per avere
profili differenti e, conseguentemente, una condizione più rispondente all’effettivo funzionamento.
Gli edifici simulati presentano, come detto, caratteristiche differenti e sono destinati a:
 settore terziario commerciale;
 settore terziario uffici;
 settore residenziale.
Nelle Tabella 1, 2 e 3 sono riassunti i dati principali degli edifici usati nel modello.
Tabella 1. Principali caratteristiche edificio commerciale
Altezza
Lunghezza
m
m
9
25
Profondità
Totale area riscaldata
Volume
Fattore di forma
Piani
Trasmittanza termica pareti
Trasmittanza termica finestra
Trasmittanza termica solaio intermedio
Trasmittanza termica solaio terra
Trasmittanza termica solaio copertura
m
m2
m3
20
1000
4500
0,29
2
0,4322
2,529
1,455
0,487
0,5457
n°
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
Tabella 2. Principali caratteristiche edificio uffici
Altezza
Lunghezza
Profondità
Totale area riscaldata
Volume
Fattore di forma
6
m
m
m
m2
m3
10
10
20
600
2000
0,5
Piani
Trasmittanza termica pareti
Trasmittanza termica finestra
Trasmittanza termica solaio intermedio
Trasmittanza termica solaio terra
Trasmittanza termica solaio copertura
n°
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
3
0,310
2,616
0,362
0,357
0,326
Tabella 3. Principali caratteristiche edificio residenziale
Altezza
Lunghezza
Profondità
Totale area riscaldata
Volume
Fattore di forma
Piani
Trasmittanza termica pareti
Trasmittanza termica finestra
Trasmittanza termica solaio intermedio
Trasmittanza termica solaio terra
Trasmittanza termica solaio copertura
m
m
m
m2
m3
n°
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
W/ m2K
10
10
10
300
1000
0,6
3
0,310
2,616
0,362
0,357
0,326
2.2 I sistemi di generazione dell’energia e le modalità di gestione
I modelli dei sistemi di generazione utilizzati nei vari scenari, cioè cogeneratore con motore a combustione
interna e macchina frigorifera ad assorbimento, non verranno descritti nel dettaglio, in quanto sono quelli
sviluppati dal politecnico di Torino1 e utilizzati nelle annualità passate. Si discuterà solamente delle
modifiche apportate e delle scelte effettuate, descrivendo i risultati delle simulazioni delle diverse fasi di
sviluppo.
Rimandando al Capitolo 7 per la taglia delle macchine simulate e per la tipologia di configurazione della rete
(centralizzata o distribuita), si riportano nelle Tabelle 4, 5 e 6 gli orari di accensione e di spegnimento in
base alla destinazione d’uso degli edifici e alla località di ubicazione della rete .
Ciascun impianto-edificio ha il proprio orario di accensione e di spegnimento. In particolare, sono stati
considerati per gli uffici due orari di accensione diversi perché il lunedì dopo 2 giorni di chiusura è
necessario anticipare l'accensione degli impianti (valori contraddistinti da *) per garantire il comfort
termico all'ingresso degli operatori delle ditte di igiene e servizi.
Come si può notare nelle tabelle del motore termico, l’accensione viene anticipata di qualche ora (valori
contraddistinti dal simbolo *) rispetto all'avvio del primo impianto, questo per garantire alla rete di
raggiungere le condizioni di regime prima di entrare in esercizio.
Si osserva, inoltre, che l’accensione della centrale termica è anticipata rispetto ai sistemi di distribuzione ed
emissione affinché la rete raggiunga la temperatura di regime.
1
Report RdS/2012/076 e Report RdS/2011/56
7
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Tabella 4. Orari di accensione e spegnimento- zona climatica E città MILANO.
Commerciale
(0621)
Uffici
(0417)*
(0617)
Residenziale
INVERNO
(0611)
(1422)
ESTATE
(0819)
Motore centrale
termica
(0322)*
(0522)
Tabella 5. Orari di accensione e spegnimento- zona climatica D città ROMA.
Commerciale
(0621)
Uffici
(0417)*
(0617)
Residenziale
INVERNO
(0811)
(1422)
ESTATE
(0820)
Motore centrale
termica
(0322)*
(0522)
Tabella 6. Orari di accensione e spegnimento- zona climatica B città PALERMO.
Commerciale
(0721)
Uffici
(0517)*
(0617)
Residenziale
INVERNO
(0810)
(1520)
ESTATE
(0820)
Motore centrale
termica
(0422)*
(0522)
2.3 Profili di utilizzo e di carico
Ai fini della caratterizzazione degli edifici è necessario definire i profili orari di utilizzo, poiché incidono sul
carico termico richiesto nel tempo, dei quali si riportano di seguito i relativi diagrammi.
2.3.1
Profilo numero di ricambi d'aria
Mediante il profilo ricambi d’aria si calcola il numero di ricambi d'aria da garantire negli edifici in base alla
destinazione d’uso. Il numero di ricambi d'aria calcolati sono riassunti nella Tabella 7.
Tabella 7. Numero di ricambi d’aria orari.
Edificio
Superficie
2
[m ]
Volumetria
3
[m ]
Indice di
affollamento
N°
persone
2
3
n2 [1/m ]
8
Portata aria
esterna
Portata aria
esterna
Portata di
rinnovo
[m /h persona]
[m /h
3
[1/h]
Commerciale
1.000
4.500
0,25
250
23,4
5.850
1,30
Residenziale
300
1.000
0,04
12
39,6
475
0,50
Uffici
600
2.000
0,06
36
39,6
1.426
0,75
Gli andamenti dei profili di ricambi d'aria orari sono diagrammati nelle figure 1, 2 e 3. Il valore di default
delle infiltrazioni, nelle ore in cui l’edificio è chiuso o l'impianto è spento, è stato impostato in funzione
delle caratteristiche dell’edificio e precisamente 0,1 per gli edifici terziari e 0,2 per il residenziale.
Figura 1. Profilo ricambi d'aria per l'edificio commerciale.
Figura 2. Profilo ricambi d'aria per l'edificio uffici.
Figura 3. Profilo ricambi d'aria per l'edificio uffici.
9
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
2.3.2
Profilo occupazione
Analogamente, i differenti profili di occupazione sono ricavati sempre in funzione della destinazione d'uso
dell'edificio.
Per l'edificio residenziale si è ipotizzato un numero di 12 occupanti, essendo composto da tre appartamenti
da 100 m2, ciascuno occupato da famiglie di 4 persone, differentemente presenti tra fase notturna e
giornaliera.
Per l'edificio commerciale, partendo dallo stesso livello di occupazione per tutti i giorni della settimana (7
giorni della settimana per 12 ore al giorno), si ottiene un profilo con due picchi occupazionali di 300
presenze contemporanee nelle ore precedenti le 14 e intorno alle 19.
Per l’edificio uffici ogni piano ospiterà 14 dipendenti presenti durante le 8 ore lavorative, avendo stabilito
un utilizzo di 2/3 dell'area effettiva di ogni piano e uno spazio di 10 m2 per occupante, da cui il numero
totale di 42 persone.
Nei grafici delle figure 4, 5 e 6 si riportano gli andamenti dei profili settimanali di occupazione dei vari
edifici.
Figura 4. Profilo occupazionale per l’edificio commerciale.
Figura 5. Profilo occupazionale per l’edificio uffici.
10
Figura 6. Profilo occupazionale per l’edificio residenziale.
2.3.3
Profilo illuminazione
Il profilo delle luci di illuminazione varia tra [0÷1] a secondo della destinazione d’uso. Nel commerciale si
avrà 0 ad attività chiusa e 1 ad attività aperta, mentre nel residenziale e negli uffici sarà 0 di giorno e 1 la
sera se si considerano 8 ore di lavoro. Nei grafici delle figure 7, 8 e 9 si riportano gli andamenti dei profili di
illuminazione dei vari edifici.
Figura 7. Profilo di illuminazione per l’edificio commerciale.
Figura 8. Profilo di illuminazione per l’edificio uffici.
11
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 9. Profilo di illuminazione per l’edificio residenziale.
3 Descrizione rete
3.1 Caratteristiche dimensionali e funzionali
Lo schema della rete è quello già descritto nei report della precedente annualità2, anche se modificato per
poter simulare il comportamento in configurazione di teleraffrescamento.
La rete è composta da due blocchi fondamentali:

il blocco che calcola l’andamento della temperatura in funzione della distanza e le relative perdite nei
singoli tratti;
il blocco che simula il comportamento inerziale della rete modellato come un accumulo fittizio di
volume pari al volume d’acqua contenuto nella rete.

L’introduzione del teleraffrescamento e l’incremento delle potenze richieste dagli edifici, ha richiesto
l’inserimento nella rete originaria di un accumulo fisico, avendo registrato delle oscillazioni di temperatura
molto pronunciate. La capacità dell’accumulo sarà la minima necessaria a garantire il corretto
funzionamento della rete. In generale, le reti energetiche sono dotate di accumuli aventi la funzione di
volani termici. Il volume dell'accumulo è stato assunto identico per ciascuno scenario ed è pari a 10m3.
L'inerzia totale della rete è data, dunque, dal volume dell'accumulo fisico più il volume d'acqua contenuto
nelle condotte della rete (accumulo fittizio).
La rete simulata nella sua configurazione radiale, al servizio delle 3 utenze sopra definite, è rappresentata
nello schema in figura 10.
2
Report RdS/2012/078 e Report RdS/2012/079
12
Figura 10. Schema rete radiale.
Come si evince, dallo schema riportato in figura 10, la rete è caratterizzata da una dorsale principale (tratti
L0 e L2) e dalle diramazioni (L1, L3 e L4), aventi dimensioni: L0=4 m, L1=4 m; L2=375 m; L3=125 m; L4=100
m.
La portata circolante è variabile nei diversi tratti della rete, ogni tratto viene attraversato da una portata
d'acqua che dipende dalle diverse velocità ammissibili nei vari tratti. Nelle tabelle 8 e 9 sono riportati i
diametri interni e le portate per ogni tratto della rete.
Dette grandezze sono state calcolate nelle tre zone climatiche, sia per il sistema distribuito e sia per quello
centralizzato.
Tabella 8. Diametri interni dei tratti della rete.
DIAMETRO TUBAZIONI
Milano
Roma
Centralizzato Distribuito Centralizzato
[m]
[m]
[m]
Palermo
Distribuito Centralizzato Distribuito
[m]
[m]
[m]
L0
L1
L2
0,065
0,065
0,040
0,065
0,065
0,040
0,065
0,065
0,040
0,065
0,065
0,040
0,065
0,065
0,050
0,065
0,065
0,050
L3
0,040
0,040
0,040
0,040
0,050
0,050
L4
0,032
0,032
0,032
0,032
0,032
0,032
Dalle tabelle 8 e 9, emerge che nel funzionamento estivo i diametri interni delle condotte risultano
maggiori rispetto al funzionamento invernale. Pertanto, al fine di garantire con le portate circolanti, le
velocità normalmente adottate nelle reti reali (2,5 3 m/sec per le dorsali e 1,5 2 m/sec per le
diramazioni), si assumono per i diametri commerciali i valori corrispondenti al funzionamento estivo.
13
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Tabella 9. Portate circolanti nei tratti della rete.
PORTATE
Inverno
Estate
Milano
Roma
Palermo
L0
L1
L2
L3
L4
Centralizzato
[kg/sec]
6,83
3,82
3,01
2,15
0,86
Distribuito
[kg/sec]
6,42
3,75
2,67
1,71
0,96
Centralizzato Distribuito Centralizzato Distribuito
[kg/sec]
[kg/sec]
[kg/sec]
[kg/sec]
7,6
7,84
7,89
9,25
4,3
4,44
4,3
4,78
3,3
3,4
3,59
4,47
2,39
2,1
2,63
3,1
0,91
1,3
0,96
1,37
L0
4,18
4,18
3,65
3,65
2,51
2,51
L1
2,15
2,15
1,91
1,91
1,55
1,55
L2
2,03
2,03
1,74
1,74
0,96
0,96
L3
1,43
1,43
1,19
1,19
0,72
0,72
L4
0,6
0,6
0,55
0,55
0,24
0,24
Altro aspetto determinante e incisivo sull’ efficienza funzionale della rete, è rappresentato dalle dispersioni
di energia termica attraverso i condotti. Per tenere conto delle dissipazioni termiche, nel modello sono
state implementate le relazioni di calcolo della quantità di calore dissipata dal condotto tubiero
all’ambiente, i valori delle trasmittanze (in funzione del diametro del condotto) utilizzati sono riportati in
tabella 10.
Gli altri parametri considerati per determinare le perdite di energia termica sono: la conducibilità termica
del suolo assunta pari a 1,2
, la conducibilità dell'isolante di 0.040
, la conducibilità della tubazione in
Pex-a=0.38
e prodondità dello scavo di 0,5 m.
Tabella 10. Valori di trasmittanza.
DN
[m]
H
[W/m2 k]
0,065
0,594
0,05
0,04
0,737
0,671
0,032
0,620
Il modello termico della rete fornisce come risultato le seguenti uscite: il valore di temperatura che vige in
ciascun nodo della rete, sia delle condotte di mandata e sia di ritorno, l’andamento nel dominio del tempo
della temperatura media e le perdite energetiche lungo la stessa.
Note la temperatura (To) del fluido in ingresso alla rete, corrispondente alla temperatura del tank nel
blocco di mandata a valle del generatore, e la temperatura nel blocco di ritorno si calcola la temperatura
lungo tutta la rete e nei nodi di stacco (ingresso alle sottostazioni di ogni edificio) applicando la seguente
relazione:
T ( x, t )  Ta  (T0(t )  Ta )  e
14

2 r  H
x
G y
(1)
con
o
o
o
o
o
o
o
Ta temperatura del terreno circostante [° C];
To(t) temperatura del nodo [° C];
G portata della tubazione [kg/sec];
R raggio medio tubazione [m];
cp , calore specifico [J/kgK];
H, trasmittanza tubo [W/m2K] ;
x, lunghezza tubazione [m].
Visto le ridotte dimensioni della rete si assume costante la temperatura del terreno, mentre, per la
temperatura dell'acqua in circolazione si può considerare costante, lungo la sezione del condotto, solo se il
moto è turbolento, ovvero, per un numero di Re calcolato con la seguente relazione > di 2000:
Re 
 v D

(2)
In base al regime di esercizio della temperatura dell’acqua, poiché la temperatura massima di esercizio
della rete si attesta sui 90°C, per la determinazione delle perdite si possono considerare costanti le
caratteristiche termofisiche dell'acqua. Inoltre, assumendo la temperatura del terreno di 15°C e con la
temperatura del fluido termovettore di 90°C si è calcolato l’abbassamento di temperatura in un chilometro
di rete. Infine, per quanto riguarda le perdite nei rami di ritorno si è tenuto conto del fenomeno di
miscelazione nei punti di collegamento dei vari tratti. In particolare, nei nodi di collegamento tra dorsale
principale e le varie diramazioni del ramo di ritorno è stata calcolata la temperatura di miscelazione dei
singoli tratti con la formula seguente:
Tnodo 
T1  m1  T2  m2
m1  m2
(3)
Nelle figure 11 e 12 sono riportati gli algoritmo del blocco della rete di mandata e di ritorno.
15
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 11. Algoritmo blocco di ritorno
16
Figura 12. Algoritmo blocco di ritorno
17
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
3.2 Integrazioni al modello di rete termica
I flussi di potenza termica in entrata e in uscita dalla rete, nel modello sono forniti e/o prelevati da un
accumulo termico. Di fatto, il modello fornisce la temperatura di accumulo, coincidente tra l’altro con la
temperatura d'ingresso dell'acqua nella rete di mandata, in funzione della potenza richiesta dagli edifici e di
quella fornita dalla rete. La relazione matematica implementata nel modello è rappresentata dalla seguente
equazione:
dT Qload  Qaux  [ H acc  Supacc  (Tacc  Tterreno)]

dt
c p    (Vacc  Vrete )








(4)
Qload energia richiesta al tank dalle utenze;
Qaux energia fornita al tank dal motore primo;
Hacc trasmittanza pareti accumulo;
Supacc superficie esterna accumulo;
Tacc temperatura accumulo;
Tterreno temperatura terreno;
 densità acqua;
Vrete volume di acqua contenuto all’interno della rete.
Le perdite relative dell’accumulo si ricavano dalla relazione:
Qloss  FFacc  Vacc  H acc  (Tacc  Tterra ) [kW ]
(5)
con
Facc fattore di forma dell'accumulo.
Analogamente alla trasmittanza della tubazione, si è calcolata la trasmittanza dell’accumulo Hacc pari a 0,20
[W/(m2K)].
In tabella 11 si riportano i valori delle caratteristiche dimensionali e termofisiche dell’accumulo.
Tabella 11. Caratteristiche accumulo rete.
Materiale
Spessore
Conducibilità termica
[m]
[W/(mK)]
Acciaio
0,01
22
Isolante
0,2
0,04
Nella Figura 13 é rappresentato lo schema del blocco che simula la rete; nel quale è visibile la modalità di
collegamento dei tre sotto blocchi che lo costituiscono: rete mandata, rete ritorno e tank.
18
Figura 13. Schema dei blocchi costituenti la rete.
4 Fase 1. Valutazioni parametriche di efficienza
4.1 Calibrazione del blocco per il calcolo delle perdite
Il modello di calcolo delle perdite di energia termica, come visto, consente la valutazione puntuale delle
dissipazioni termiche lungo tutta l’estensione della rete. Dalle relazioni (1) e (4), implementate nel modello,
si ricava l’abbassamento di temperatura lungo la rete.
Confrontando i risultati ottenuti dalle simulazioni, con i valori disponibili per reti simili, si è constatato che
con le temperature di lavoro della rete, gli abbassamenti della temperatura ottenuti per la lunghezza della
rete in esame sono inaccettabili. Pertanto, considerando che per reti di piccole dimensioni l’abbassamento
di temperatura lungo un km di rete è di circa 0,1 °C, si è deciso di calibrare i termini matematici della
relazione di calcolo al fine di ottenere un abbassamento coerente e corrispondente alla lunghezza della
rete. Di fatto, in questa fase, sono state effettuate una serie di prove iterative per individuare il valore del
coefficiente C della relazione di calcolo che consente di ottenere degli abbassamenti corretti, tenendo
conto anche della portata media circolante in ogni tratto di rete.
In pratica, il valore massimo del coefficiente C è stato determinato in modo da avere un T massimo di
0.1°C in 1 km di lunghezza, da cui si è stato ricavato il corrispondente T massimo in 325 m, considerando
inacettabili i T superiori a detto valore. Il valore massimo corrispondente è di 0.7°C per 325 m e si ottiene
per un valore di C=0,19.
Nelle figure 14, 15, 16, 17 e 18 si riporta l’andamento delle perdite, per i valori del coefficiente C da 1 a
0,19.
19
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 14. Andamento perdite termiche con coefficiente C = 1.
Figura 15. Andamento perdite termiche con coefficiente C = 0,8.
20
Figura 16. Andamento perdite termiche con coefficiente C = 0,6.
Figura 17. Andamento perdite termiche con coefficiente C = 0,4.
21
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 18. Andamento perdite termiche con coefficiente C = 0,19.
5 Fase 2 - Controllo temperature e potenza di rete.
5.1 Distribuzione temperatura nei tratti di rete
5.1.1
Distribuzione temperatura tratti di mandata rete
A partire dalla configurazione della rete, rappresentata in figura 1, è stata effettuata la valutazione delle
temperature in tutti i nodi, lungo i differenti tratti della rete.
Il modello sviluppato consente di analizzare capillarmente, per un intero anno solare di simulazione,
l’andamento della temperatura in tutti i punti della rete, sia nel condotto di mandata e sia in quello di
ritorno, tenendo conto della miscelazione dei fluidi circolanti.
Nelle figure 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 e 28 si riportano, per il ramo di mandata e di ritorno,
l’andamento delle temperature degli edifici residenziale, commerciale e uffici, sia lungo la diramazione
principale DIR e sia all’ingresso degli stessi. Come si evince dai grafici, il modello calcola perfettamente i
valori delle temperature del funzionamento reale: 70 °C in inverno e 7 °C in estate. Negli andamenti, si
osserva la brusca diminuzione di temperatura nel passaggio dalle stagioni intermedie all’estate e viceversa.
Inoltre, si evidenzia che la temperatura di 60 °C nel condotto di mandata rispetto a quella di 70 °C del
condotto di ritorno, è congruente con il fenomeno della miscelazione dei fluidi.
22
Figura 19. Andamento Temperatura rete tratto Dir1.
Figura 20. Andamento Temperatura rete tratto Dir2.
23
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 21. Andamento Temperatura in ingresso edificio 1 (commerciale).
Figura 22. Andamento Temperatura in ingresso edificio 2 (uffici).
24
Figura 23. Andamento Temperatura in ingresso edificio 3 (residenziale).
Figura 24. Andamento Temperatura Ritorno nodo edificio 1 (commerciale).
25
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 25. Andamento Temperatura Ritorno nodo edificio 2 (uffici).
Figura 26. Andamento Temperatura Ritorno edificio 1 (commerciale).
26
Figura 27. Andamento Temperatura Ritorno edificio 2 (uffici).
Figura 28. Andamento Temperatura Ritorno edificio 3 (residenziale).
5.2 Distribuzione perdite termiche rete
Validato quindi, il modello sui valori corretti di temperatura sono state valutate le perdite Qloss lungo la
rete . Nel grafico di figura 29, si riporta l’andamento delle perdite distribuite lungo il solo tratto di ritorno.
27
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Mentre in figura 30 viene rappresentato l’andamento degli abbassamenti di temperatura lungo tutta
l’estensione della rete. Si segnala che nel diagramma, i valori negativi di temperatura sono dovuti alla
convezione dei segni distinta tra inverno ed estate.
Figura 29. Andamento perdite termiche distribuite lungo tutta l’estensione della rete Q_loss_R_tot.
Figura 30. Andamento perdite termiche distribuite lungo i tratti di mandata e di ritorno Q_loss_in_tot.
28
6 Fase 3. Descrizione e modellazione blocchi dello schema rete
6.1 Descrizione modello centrale termica
Come già descritto, in fase di introduzione, nel modello “schema centrale termica” sono stati implementati
i parametri e i vincoli caratteristici delle configurazioni di produzione dell’energia.
Nella configurazione centralizzata la macchina frigorifera ad assorbimento, ubicata in centrale termica,
alimenta la rete con un fluido termovettore alla temperatura di 7 °C. Invece, nella generazione distribuita le
macchine ad assorbimento sono collocate presso le utenze e sono alimentate da un fluido termovettore
circolante in rete alla temperatura di 70 °C in inverno e 90 °C in estate.
Nelle figure 31 e 32 sono riportate le configurazioni appena descritte.
29
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 31. Generazione centralizzata. Modello di centrale termica MCI con Assorbitore.
30
Figura 32. Generazione distribuita. Modello di centrale termica MCI con Assorbitore.
6.2 Motore primo
In questa sezione, si illustrano le modifiche e le principali caratteristiche del blocco motore elaborato nelle
precedenti annualità.
31
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Come già detto, le potenze in gioco ridotte hanno orientato la scelta verso un motore a combustione
interna di potenza elettrica nominale di 105 kW per entrambe le configurazioni di rete. La caratteristica
principale che ha indirizzato la scelta riguarda la possibilità di ottenere valori di rendimento soddisfacenti
anche in condizioni di funzionamento differenti da quelle nominali.
Di fatto, in condizioni di parzializzazione la curva di rendimento del motore scelto presenta un andamento
stabile in un ampio range. Questo aspetto garantisce di mantenere una buona efficienza della rete anche
nei casi in cui non il motore lavora in condizioni di carico ridotto, come può verificarsi in inverno in alcune
zone caratterizzate da condizioni climatiche temperate.
Per tale ragioni, sono stati implementati nei file "inputCHP.m i valori relativi alle condizioni di
parzializzazione, ovvero, in inverno un rendimento elettrico pari al 35,7% e in estate un rendimento
elettrico del 37, 2%.
Nella figura 33 si rappresenta lo switch all'interno del blocco "sistema di iniezione" che consente di
selezionare le condizioni di lavoro desiderate.
Figura 33. Schema modello ingresso blocco motore.
Nella figura 34 sono riportate le modifiche apportate al modello originale per tenere conto della stagione di
funzionamento. Si osserva che nel blocco del motore, gli switch che selezionano il segnale secondo la
stagione intervengono sulle lookup table che determinano la potenza elettrica erogata e la temperatura dei
fumi.
Mentre, nelle figure 35, 36 e 37 sono riportati l’andamento della potenza del combustibile, della potenza
elettrica e della temperatura dei fumi del cogeneratore.
Figura 34. Schema modello blocco motore.
32
Figura 35. Blocco motore – potenza introdotta con il combustibile P fuel.
Figura 36. Blocco motore – potenza elettrica Pel.
33
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 37. Blocco motore – andamento della Tfumi.
6.3
Macchina frigorifera ad assorbimento nella generazione centralizzata
Nella generazione centralizzata l’impianto trigenerativo, costituito dal motore a combustione interna e
dalla macchina ad assorbimento viene esercito con modalità differenti a seconda della stagione di
funzionamento. Il calore prodotto dal cogeneratore viene impiegato, in inverno, per alimentare la rete
mentre in estate per alimentare la macchina frigorifera ad assorbimento ubicata in centrale, ovviamente, in
inverno la macchina ad assorbimento è spenta. L'integrazione della macchina all'interno della centrale
termica ha comportato diverse modifiche, necessarie a garantirne il corretto funzionamento.
Figura 38. Generazione centralizzata - blocco assorbitore.
Nel modello di figura 38 è visibile il funzionamento della macchina ad assorbimento e dei rispettivi segnali
di comando. In pratica, in inverno uno switch comandato dal segnale est_inv ne inibisce il funzionamento.
Le modalità di esercizio della macchina ad assorbimento dipendono dalla temperatura dell'acqua di
alimentazione, dalla temperatura dell'aria ambiente e dalla umidità relativa . Il loro controllo viene
effettuato attraverso l’ implementazione nel modello di relazioni scientifiche di lookup table, ad es. la
relazione per il controllo della temperatura dell’acqua di ritorno agli scambiatori.
34
In figura 39 si schematizza il codice di calcolo del blocco riguardante la funzione matematica di controllo
della temperatura dell’acqua.
Figura 39. Codice di calcolo - blocco assorbitore.
Inoltre, poiché tale caratteristica è legata alla potenza termica della MFA, è stato necessario effettuare al
blocco del motore una importante modifica per controllare il funzionamento della macchina ed evitare
quindi che la stessa entri in modalità di esercizio di off-design. Tale modifica permette di parzializzare il
funzionamento o lo spegnimento. In pratica è stata inserita una lookup table, rappresentata in Figura 40,
che agisce quando la temperatura è prossima o superiore al valore di corretto funzionamento.
Figura 40. Blocco assorbitore.
6.4 Macchina frigorifera ad assorbimento nella generazione distribuita
Nella generazione distribuita di energia frigorifera, come specificato in precedenza, la MFA è posizionata
presso le utenze e sostituisce quindi lo scambiatore estivo . Analogamente agli altri blocchi del modello
rete, è stata effettuata una modifica alla lookup table del COP, per impedire che la macchina lavori con
profili di temperature incompatibili con il regolare funzionamento o che si ottengano valori di potenze
35
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
erogate errate. La modifica effettuata porta a porre pari a zero il COP dell'assorbitore, se la temperatura di
funzionamento della macchina è minore di 70°C e/o maggiori di 95°C
Figura 41. Blocco assorbitore con integrazioni.
Nello schema del modello di figura 41, si osserva l’inserimento di un saturatore che ha la funzione di
riprodurre il corretto funzionamento della macchina, limitando la potenza utile e i valori del COP al di fuori
del range di lavoro. Nelle figure 42 e 43 si osserva la precisione di calcolo del modello di simulazione, infatti,
si ottiene in uscita la potenza utile di 90 kW e la potenza frigorifera di 60 kW.
Figura 42. Potenza utile assorbitore.
36
Figura 43. Potenza frigorifera assorbitore nella generazione centralizzata.
6.5 Sistema di distribuzione
La regolazione della temperatura interna, nel modello di simulazione, è affidata ad un impianto a fancoil,
operante sia in regime invernale e sia in regime estivo.
Per il dimensionamento dell’impianto, per le ragioni già dette, è stata effettuata preliminarmente la
valutazione puntuale dei carichi energetici. Gli edifici simulati sono stati dotati di un impianto a fancoil che
consente di ottenere le condizioni di comfort termo-igrometrico (20±2°C in inverno e 26±2°C in estate)
indipendentemente dalle condizioni esterne. Con i valori di temperatura definiti, si ricavano quindi il
numero di fancoil necessario a raggiungere detti valori.
In Tabella 12 è riportato il numero di fancoil per tipologia di utenza e zona climatica, nella quale il
funzionamento invernale è contraddistinto dal simbolo *.
Tabella 12. Terminali di emissione – n° di fancoils.
Milano
Roma
Palermo
Commerciale
47
50
36*
Uffici
28
25
18*
Residenziale
12
10
6*
Destinazione utenza
Nel funzionamento invernale i fancoil possono erogare una potenza termica di 2,3 kW mentre in
raffrescamento estivo possono erogare una potenza di 1,75 kW.
37
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
6.6 Scambiatori rete/utenza
Il modello di rete originario, valido per il funzionamento nella sola stagione invernale, prevedeva per ogni
edificio degli scambiatori di calore, non adatti al funzionamento in raffrescamento, per questo motivo il
modello di partenza è stato aggiornato, modificando la parametrizzazione degli scambiatori per adattarli al
teleraffrescamento.
6.6.1
Scambiatore invernale
Lo scambiatore invernale rappresentato in figura 44, è costituito dai sottosistemi elencati ai punti
sottostanti.
1. Sistema di controllo che ha la funzione di non consentire:
 Il trasferimento di calore da una sorgente fredda a una calda.

Il funzionamento dello scambiatore in estate.

Il funzionamento dello scambiatore se l’ impianto è spento o se l’utenza non richiede
energia.
Per poter effettuare tali controlli è stato inserito un blocco moltiplicatore al quale arrivano i segnali
provenienti da:
 uno switch che invia segnale 1, se la temperatura dell'acqua di rete è superiore a quella dell'acqua
dell'accumulo, oppure, invia il segnale 0 in caso contrario.
 un ingresso riportante il segnale dello schedule degli orari di accensione dell'impianto.
 una Embedded function che invia il segnale 0, se la temperatura dell'accumulo è al di sopra della
temperatura standard di lavoro dei fancoil, e 1 se la temperatura è più bassa.
Figura 44. Blocco scambiatore invernale.
2. Sottosistema avente la funzione di calcolare la potenza scambiata nello scambiatore; esso ha la
funzione di garantire che non venga estratta dallo scambiatore una potenza superiore a quella
necessaria all'edificio, che potrebbe compromettere il regolare funzionamento sia dell'accumulo
termico e sia della rete.
Al suo interno sono stati impostati il ΔT a 5°C, tra la temperatura di ingresso dell'acqua di rete e
quella di uscita. Il sottosistema calcola in automatico, la portata massica di acqua circolante nello
38
scambiatore, e nota la potenza massima richiesta dall'edificio si ricava il ΔT con la seguente
relazione:
Ginv 
Pmax
c p  T
[
kg
]
s
(6)
3. Il terzo sottosistema calcola la temperatura di uscita dell'acqua-utenza mediante la relazione:
Tute _ out  Tute _ in 
Paux
GFC  c p
[C ]
(7 )
con
o GFC portata d'acqua circolante nell'impianto fancoil;
o Tute_in e Tute_out sono rispettivamente le temperature di ingresso e uscita dell'utenza.
Nelle figure 45, 46, 47 e 48 sono rappresentati gli andamenti delle temperature dei fancoil simulate per
l’inverno. Negli andamenti riportati si osserva che i valori di temperatura sono rispondenti al corretto
funzionamento con la maggiorazione di 5 °C della temperatura di uscita.
Figura 45. Andamento Temperatura rete in inverno T_retein.
39
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 46. Andamento Temperatura d’ingresso fancoil in inverno Tute_in.
Figura 47. Andamento Temperatura uscita fancoil con una una temperatura maggiore di 5 ° C.
40
Figura 48. Andamento Temperatura uscita rete T_rete out.
6.6.2
Scambiatore estivo
Per lo scambiatore estivo vale quanto appena definito per lo scambiatore invernale. Tenendo conto delle
temperature di riferimento dell'accumulo, si ottiene la temperatura di uscita applicando l’equazione (7).
Nella Figura 49, si rappresenta lo schema a blocchi dello scambiatore estivo, mentre, nelle figure 50, 51, 52
e 53 si riportano gli andamenti delle temperature nel funzionamento con lo scambiatore.
Figura 49.Schema a blocchi dello scambiatore estivo.
41
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 50. Andamento Temperatura rete in inverno T_retein 2.
Figura 51. Andamento Temperatura d’ingresso fancoil in estate Tute_in2.
42
Figura 52. Andamento della potenza in estate P_aux2.
Figura 53. Andamento Temperatura della rete in estate, T_rete out2.
6.7 Controllo motore
Il controllo dell'accensione e dello spegnimento del motore primo viene fatto sulla base dei valori di
temperatura dell'acqua di rete e dello schedule GTC. Per quel che concerne il controllo effettuato sulla
43
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
temperatura Ttank e quindi di rete, il tipo di controllo sarà diverso nel caso di generazione centralizzata
dell'energia frigorifera e o di generazione distribuita.
Nella generazione centralizzata, come riportato in figura 54, sono presenti due controlli separati uno per il
funzionamento invernale e uno per il funzionamento in estivo. In pratica, le Embedded function (come
quella riportata in figura 55) restituiscono un valore uno o zero, a seconda che la temperatura del tank
rientri nel range dei parametri prefissati.
Figura 54. Generazione centralizzata. Modello blocco controllo motore.
Figura 55. Embedded function
44
In inverno il valore della temperatura è di 70-67°C mentre in estate la temperatura è di 4-4,1°C. Questi
valori sono quelli che permettono di mantenere la temperatura della rete intorno ai 4-8°C.
Nel caso di generazione distribuita, la rete è alimentata da un fluido termovettore ad alta temperatura,
70°C in inverno e 90°C in estate. Il controllo di conseguenza sarà diverso e come rappresentato nella figura
56 sono differenti i valori limiti fissati di temperatura, che verranno attivati da uno switch est_inv.
Figura 56. Generazione distribuita. Modello blocco controllo motore.
7 Descrizione scenari
7.1 Scenario zero
Questo scenario rappresenta la condizione standard di riferimento per effettuare il confronto dei risultati
ottenuti dalle differenti simulazioni. In esso, dovendo rappresentare la situazione impiantistica
maggiormente impiegata per la climatizzazione nazionale, sono state simulate in funzione della
destinazione d’uso dell’utenza le seguenti tecnologie:
 pompa di calore (PDC) di grossa taglia per le utenze del settore commerciale;
 caldaia per il riscaldamento invernale e una pompa di calore per il raffrescamento estivo per gli edifici ad
uso uffici e residenziale.
In figura 57 è riportato lo schema del modello impiegato nello scenario zero.
I singoli componenti del modello di simulazione sono stati sviluppati da ENEA nelle annualità precedenti,
rimandando ai report Report RdS/2010/251 e Report RdS/2011/178 per il dettaglio; si illustra brevemente
lo schema del modello della pompa di calore, rappresentato in figura 58, e le modifiche e problematiche
affrontate per alcuni dei suoi componenti. Il modello si compone di due blocchi, ciascuno rappresentante,
la MFC nel funzionamento invernale e estivo. Il funzionamento alternato dei due blocchi è comandato da
due switch che inviano il segnale [1 o 0] all'Enable del blocco, a secondo della stagione. Al fine di garantire il
più possibile, la rispondenza tra i risultati del modello sviluppato ai valori disponibili delle applicazioni reali,
sono state implementate nei due blocchi delle matrici correttive.
45
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 57. Modello scenario zero
Figura 58. Modello pompa di calore.
46
La MFC implementata nel modello per l’edificio commerciale è caratterizzata dalle potenze di Tabella 13,
differenti sia a seconda del luogo di ubicazione che della stagione di funzionamento. Per quanto riguarda i
valori di COP e EER nominali sono stati considerati i valori corrispondenti ai minimi fissati per l’accesso agli
incentivi fiscali sul risparmio energetico.
Tabella 13. Potenze installate
(*dimensionamento su richiesta invernale, **dimensionamento su richiesta estiva)
Milano*
Roma**
Palermo**
Funzionamento
[kWt]
[kWt]
[kWt]
Invernale
110
100
120
Estivo
100
90
110
Anche per gli edifici a destinazione d’uso uffici e residenziale è stato considerato l’impiego di una pompa di
calore di taglia più piccola per la climatizzazione estiva mentre per il funzionamento invernale è stato scelto
un sistema alimentato da una caldaia a gas naturale. In Tabella 14 si riportano le potenze di raffrescamento
considerate in per le utenze uso uffici e residenziale. In figura 59 è rappresentato lo schema a blocchi degli
impianti del modello sviluppato.
Tabella 14. Potenza di raffrescamento.
Milano
Roma
Palermo
Destinazione utenza
[kWt]
[kWt]
[kWt]
Uffici
45
45
65
Residenziale
18
20
20
Il modello per il funzionamento invernale è in grado di simulare caldaie con varie potenze nominali facendo
variare il rendimento in base alla taglia e al tipo di regolazione. Precisamente, per taglie superiori ai 50 kWt
il ηcald è pari al 92% mentre al di sotto di tale soglia di potenza è stata creata una lookup table che fa variare
il rendimento nel range di valori nell’intervallo [87 ÷ 92] %.
Figura 59. Schema a blocchi modello impianti.
47
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
7.2 Lo scenario con generazione centralizzata
In questo scenario, come anticipato, la rete termica distribuisce l’energia termica generata dalla MFA che
viene alimentata dal motore primo. Il fluido termovettore, caldo o freddo, è distribuito alle utenze da un
sistema a due tubi, uno di mandata e l’altro di ritorno, che trasportano alternativamente calore o energia
frigorifera, a secondo della stagione di funzionamento.
Per questa configurazione, la temperatura di lavoro invernale scelta è di circa 70-65°C, la scelta deriva dalla
necessità di attuare un compromesso tra le caratteristiche di funzionamento invernale ed estivo.
Nel funzionamento invernale le piccole portate in gioco e le elevate temperature, considerato l'elevato ΔT
presente tra la temperatura del fluido termovettore e quella richiesta dalle utenze (rispettivamente 120° e
<60°C), permetterebbero di adottare tubi di piccolo diametro.
Nel funzionamento estivo, il ΔT adottabile tra rete e utenza è ridotto, poiché la rete non può essere
alimentata con acqua a temperatura inferiore a 4°C. Inoltre, essendo la temperatura dell’acqua richiesta
compresa tra [7÷10] °C, è necessario inviare nella rete portate più elevate per garantire un adeguato
scambio termico.
Pertanto, il range scelto di temperatura consente di mantenere le velocità nelle condotte entro i limiti
ottimali di funzionamento sia con la portata invernale che estiva.
In Tabella 15 sono riportate le potenze del motore primo scelto (MCI) e della MFA in funzione della luogo di
ubicazione.
Tabella 15. Potenza Motore primo e macchina frigorifera ad assorbimento.
Milano
Roma
Palermo
[kWt]
[kWt]
[kWt]
MCI
90
90
110
MFA
70
80
95
7.3 Lo scenario con generazione distribuita
In questo scenario gli assorbitori sono localizzati presso le utenze, in figura 60 è visibile lo schema generale.
Il funzionamento della rete è distinto in funzione della stagione, di conseguenza le reti operano con
differenti regimi termici . In inverno, infatti la temperatura media lavoro della rete è intorno a [65-70] °C,
che ottimale in presenza di fancoil. In estate, invece, la rete alimentando le macchine ad assorbimento che
hanno una temperatura di funzionamento ottimale compresa tra [70-90] °C, viene adottata una
temperatura non inferiore a 70°C e neanche maggiore di 90°C (temperatura di attivazione della
cristallizzazione dei Sali).
Per quando riguarda le portate, dai risultati ottenuti con le simulazioni di tutti gli scenari, è emerso che le
quantità d'acqua circolante nella rete durante l'esercizio estivo sono maggiori rispetto a quelle circolanti
durante l'inverno. Tale dato, rappresenta per la rete una criticità in quanto, nel funzionamento invernale, la
rete lavora al di sotto delle proprie capacità.
Un'altra criticità che si è evidenziata in questo tipo di scenario è la difficoltà di gestire in maniera precisa la
temperatura della rete per massimizzare il COP della macchina.
48
Nei periodi di massima richiesta termica si registrano abbassamenti della temperatura, che vanno ad
incidere sull'efficienza della macchina. Questo problema è risolvibile facilmente aumentando l'inerzia della
rete, quindi aumentando il volume del tank della centrale.
Nelle Tabelle 16 e 17 sono riportati rispettivamente la potenza installata del motore primo in centrale e
degli assorbitori presso le utenze nei diversi scenari simulati.
Tabella 16. Potenza Motore Primo.
Milano
Roma
Palermo
Motore primo
[kWt]
[kWt]
[kWt]
MCI
90
115
130
Tabella 17 . Potenza macchina frigorifera ad assorbimento.
Milano
Roma
Palermo
Destinazione utenza
[kWt]
[kWt]
[kWt]
Commerciale
55
65
70
Uffici
25
30
45
Residenziale
14
19
20
49
ACCORDO DI PROGRAMMA MSE-ENEA
Figura 60. Schema a blocchi del modello di calcolo.
50
7.4 Ottimizzazione modalità di gestione utenze
Dai risultati ottenuti con le simulazioni annuali è emerso che le perdite della rete risultano costanti,
pertanto influiscono in marniera incisiva sul bilancio energetico annuale.
A tal proposito, durante lo sviluppo del modello, sono state individuate le modalità ottimali di gestione
della rete, con l’obiettivo di raggiungere le migliori prestazioni energetiche in fase di esercizio della rete.
A tal fine, sono stati simulati in fase di sviluppo del modello le seguenti configurazioni impiantistiche :
1) esercizio continuo del generatore di potenza. In questa modalità, il generatore eroga potenza
indipendentemente dal carico richiesto dagli edifici, anche nel caso di richiesta nulla, in particolare è
emerso che l’uscita del generatore era utile alla sola compensazione delle perdite termiche del tank e
della rete. In pratica, le prestazioni energetiche annuali del sistema sono le peggiori di tutte le
configurazioni scelte, avendo registrato rendimenti globali del sistema intorno al [50÷60] % .
2) esercizio diurno del generatore. In questa configurazione, il generatore non entra in esercizio nelle ore
notturne, nelle quali è nulla la richiesta di energia termica degli edifici. Con questa modalità di esercizio
si è registrato un incremento del rendimento di circa il 10%, il valore risulta ancora non ottimale, vista
l’estensione della rete.
3) esercizio stagionale e settimanale discontinuo. Analogamente alle configurazioni sopra esposte, il
generatore di potenza non viene esercito nei periodi in cui il carico degli edifici è nullo. In particolare,
in alcune settimane dell’autunno e primavera, ovvero, quando gli edifici non richiedono carico per
diversi giorni. Pertanto, effettuando in tali periodi, lo spegnimento del generatore e programmandone
la sua accensione almeno una ora prima dell’orario di richiesta termica, si riescono a raggiungere i
livelli termici fissati per il fluido termovettore .
4) spegnimento del generatore non appena l'ultima utenza non richiede energia;
Adottando tutte le modifiche di funzionamento sopra esposte si riescono ad ottimizzare le prestazioni della
rete, raggiungendo un rendimento globale annuale della rete superiore al 90%.
A titolo esemplicativo, nei grafici di figura 61 e figura 62 sono diagrammati i risultati ottenuti dalle
simulazioni effettuate per la città di Roma, sia nel caso di generazione distribuita e sia nel caso di
generazione centralizzata.
Ogni immagine è costituita da due grafici, in alto vi è la potenza termica calda (parte positiva) o frigorifera
(parte negativa) generata e nel grafico in basso è riportato l'andamento delle perdite .
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Figura 61. Configurazione generazione centralizzata.
Come si può notare le perdite nei due scenari sono molto differenti, in particolare nella configurazione in
cui in rete circola fluido refrigerato, esse sono molto basse essendo ridotta la differenza di temperatura fra
terreno e fluido termovettore.
Figura 62. Configurazione generazione distribuita.
8 Risultati simulazioni
I risultati delle simulazioni di seguito presentati dimostrano come i modelli sviluppati sono in grado di
rappresentare il funzionamento di una rete termica su scala locale, infatti i grafici delle figure sottostanti
52
evidenziano come gli andamenti delle temperature, dei modelli della rete, sono completamente
rispondenti con le situazioni reali (o con dati di letteratura) e permettono il raggiungimento delle
temperature di comfort desiderate, per ciascun edificio connesso alla rete.
Si può osservare nella figura 63 come nello “scenario con generazione centralizzata” la temperatura della
rete si attesti sui 75°C per il periodo di riscaldamento e sui 6°C per quello di raffrescamento.
Figura 63. Profilo Temperatura [° C]. Scenario generazione centralizzata.
Nello “scenario con generazione distribuita” visibile in figura 64 invece il comportamento invernale della
rete rimane inalterato, viceversa in estate la rete si porta sempre sui 90°C che coincide con la temperatura
dell’acqua all’ingresso delle macchine ad assorbimento.
Figura 64. Profilo Temperatura [° C]. Scenario generazione distribuita.
Nello stesso grafico sono visibili, in maniera più marcata rispetto allo scenario precedente, gli intervalli
temporali (approssimativamente corrispondenti ai periodi centrali della primavera e dell’autunno) in cui il
MCI rimane spento per mancanza di richiesta da parte delle utenze e la temperatura della rete decresce
gradualmente.
A titolo esemplificativo si riportano nelle figure 65 e 66, i risultati delle simulazioni effettuate per la città di
Roma per le tre tipologie di utenze. Si evidenzia come in ciascuno scenario, l’obiettivo di raggiungere il
confort interno degli edifici sia stato raggiunto, infatti le temperature durante le fasi di accensione degli
impianti si attestano, con le diverse modalità legate ai profili di utilizzo, a 20°C in inverno e a 26°C in estate.
Così come riscontrabile in letteratura, la valutazione della bontà prestazionale di un sistema complesso in
assetto trigenerativo è condotta ricorrendo al calcolo di appositi indici, che forniscono una valutazione
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puntuale sull’efficienza energetica di un sistema di produzione dell’energia. La valutazione dell’efficienza
energetica, in termini di energia primaria, effettuata tramite la determinazione di tali grandezze permette
di fotografare le configurazioni impiantistiche in modo completo ed esaustivo rispetto alla semplice
elaborazione dei dati sui consumi assoluti di energia termica, frigorifera e/o primaria.
Edificio Commerciale
Edificio Uffici
Edificio Residenziale
Figura 65. Profilo Temperatura [° C]. Scenario generazione centralizzata.
Edificio Commerciale
Edificio Uffici
Edificio Residenziale
Figura 66. Profilo Temperatura [° C]. Scenario generazione distribuita.
8.1 Determinazione indici energetici
Infine, come detto, le due configurazioni di rete sviluppate sono state valutate confrontando alcuni indici
energetici, scelti fra quelli più comunemente usati in letteratura e di seguito elencati:


54
Rendimento di primo principio (RPP)
Fuel Energy Saving Ratio (FESR)
 Trigeneration Primary Energy Ratio (TPES)
Il rendimento di primo principio è relativo al fattore di utilizzo del combustibile, esprime cioè la quota
dell'energia introdotta nel sistema (attraverso il combustibile) che viene convertita energia utile:
(8)
con



Ep energia primaria consumata dal motore primo
Ee energia elettrica prodotta
Et energia termica prodotta
L'indice FESR è definito come il rapporto tra l'energia del combustibile risparmiata con la soluzione
trigenerativa riferita all'energia consumata da un sistema tradizionale di produzione separata per ottenere
lo stesso effetto utile. Questo indice è espresso dall'equazione
(9)
dove

, energia primaria consumata dal motore primo nello scenario trigenerativo;

, energia primaria consumata dalla caldaia integrativa nello scenario trigenerativo;

energia primaria consumata per produrre l'energia elettrica fornita dalla rete nello

scenario trigenerativo;
energia primaria consumata dalla caldaia utilizzata per produrre l'energia termica nella

configurazione classica con produzione separata;
energia elettrica fornita dalla rete nella configurazione classica con produzione
separata.
Il TPES esprime il risparmio di energia primaria di un impianto di trigenerazione rispetto alla separata
produzione:
(10)
con



e
rappresentano rispettivamente l'energia primaria consumata della separata produzione e
l'energia primaria consumata dall'impianto trigenerativo;
rappresenta l'energia elettrica prodotta dall'impianto:
sono rispettivamente il calore prodotto dal trigeneratore e l'energia frigorifera prodotta;

sono rispettivamente il rendimento termico ed elettrico della separata produzione;

è il coefficiente di prestazione della pompa di calore per la produzione separata di energia
frigorifera.
55
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Per i rendimenti, termico ed elettrico, della produzione separata è stato scelto il rendimento globale della
rete elettrica nazionale (pari a 0,46) per quanto riguarda la produzione di energia elettrica e il valore di
rendimento della caldaia utilizzata nelle simulazioni per quanto riguarda la produzione di energia termica.
Si evidenzia che per il calcolo degli indici FESR e TPES, i consumi energetici della produzione separata sono
quelli forniti dallo “scenario zero”.
Tabella 18. Rendimento di primo principio.
RPP
Milano
Roma
Palermo
CENTR.
86,62%
86,08%
84,19%
GD
84,60%
82,66%
81,13%
Tabella 19. Fuel Energy Saving Ratio.
FESR
Milano
Roma
Palermo
CENTR.
9,18 %
4,24 %
2,67 %
GD
8,48 %
3,22 %
1,51 %
Tabella 20. Fuel Energy Saving Ratio.
Trigeneration Primary Energy Ratio (TPES)
Milano
Roma
Palermo
CENTR.
16,38 %
10,34 %
6,51 %
GD
12,81%
5,55 %
2,33 %
Come si evince dai valori degli indici riportati nelle tabelle sopra esposte e diagrammati in figura 67, le
prestazioni migliori si ottengono per lo scenario che prevede la produzione centralizzata dell’energia, sia
per la climatizzazione invernale e sia estiva.
Figura 67. Indici energetici nella generazione centralizzata e distribuita [GD].
56
Poiché l’obiettivo dell’attività riguarda la realizzazione di un modello in grado di simulare il comportamento
di una rete energetica locale per la produzione di energia termica, frigorifera ed elettrica, si rimanda ad
altra sede l’analisi dettagliata dei singoli indici che richiederebbe l’analisi tecnica delle tecnologie scelte e
delle relative modalità di funzionamento. Si evidenzia che, i valori degli indici sono perfettamente
rispondenti e congruenti con i dati reperibili in letteratura. Si rimanda ad attività futura un’ analisi
dettagliata delle scelte progettuali e gestionali delle reti energetiche. Questa considerazione è avvalorata
anche dalla necessità di effettuare tali analisi su una rete costituita da un numero maggiore di utenze, più
rappresentativo di una situazione reale. Tuttavia la scelta di tre utenze rappresenta una situazione non
reale, ma realistica in termini di consumi energetici che consente di apprezzare la bontà del modello
realizzato.
9 Conclusioni
In base alle elaborazioni e simulazioni effettuate, per i differenti scenari e le configurazioni impiantistiche, è
possibile affermare quanto di seguito illustrato.
La produzione di energia frigorifera centralizzata presenta risultati più soddisfacenti rispetto alla
produzione distribuita, infatti, a parità di energia utile fornita è possibile impiegare una potenza inferiore
rispetto alla potenza “complessiva“ della produzione distribuita. Il minore utilizzo di energia termica, a
parità di effetto utile, contribuisce a valorizzare l’energia termica primaria incrementando l’efficienza del
sistema di produzione dell’energia nella modalità centralizzata del funzionamento estivo. A tal riguardo si
evidenzia la differente incidenza della produzione estiva nei vari scenari simulati, si osserva che la
produzione di energia per il soddisfacimento del fabbisogno invernale non cambia tra lo scenario
centralizzato e quello distribuito, mentre, si registra un incremento nella produzione di energia nel periodo
estivo. Infatti, a parità di effetto utile, è necessario produrre una maggiore quantità di calore (circa 3.000
kWh in più a Milano e circa 10.000 kWh in più a Palermo) con rendimenti di generazione ridotti e
conseguente penalizzazione della produzione invernale a Roma e Palermo e della produzione estiva a
Milano.
In definitiva, si può concludere che la configurazione impiantistica energeticamente più performante per la
rete termica simulata è quella in cui la macchina frigorifera ad assorbimento è localizzata presso la centrale
termica. Questa configurazione permette l'impiego di un motore primo e di una macchina frigorifera ad
assorbimento di bassa taglia con relativi risparmi impiantitici a parità di effetto utile, riducendo quindi in
maniera significativa le perdite.
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10 Riferimenti bibliografici
1.
K.C. Kavvadias , A.P. Tosios, Z.B. Maroulis, "Design of a combined heating, cooling and power system
- Sizing, operation strategy selection and parametric analysis",Energy Conversion and Management
(2010) 833-845.
2.
N. Fumo, P.J. Mago, L.M. Chamra, "Emission operational strategy for combined cooling, heating, and
power systems", Applied Energy 86 (2009) 2344-2350.
3.
Bertini, F. Ceravolo, M. De Felice, B. Di Pietra, F. Margiotta, S. Pizzuti, G. Puglisi , " Sviluppo
dell’ambiente di progettazione Optimal DESign for Smart Energy - ODESSE", Report RSE/2009/188.
4.
G. Ruscica, M. Badami, A. Portoraro, M. Mura, B. Di Pietra, " Supporto allo sviluppo di modelli per la
simulazione di impianti di micro cogenerazione per applicazione residenziale e terziaria: principali
indicatori energetici definiti dalla normativa vigente e prestazioni a regime parziale delle principali
tecnologie disponibili in commercio", Report RSE/2009/28.
5.
F. Ceravolo, B. Di Pietra, F. Margiotta, G. Puglisi, ODESSE: simulazione dinamica del sistema edificioimpianti per la climatizzazione estiva, 2010, Report RdS/2010/251
6.
Bertini, L. Castellazzi, F. Ceravolo, B. Di Pietra, A. Federici, R. Iannucci, F. Margiotta, A. Pannicelli, G.
Puglisi Integrazione di layout impiantistici nella piattaforma di simulazione ODESSE (Optimal
DESignfor Smart Energy), 2011, Report RdS/2011/178
7.
F. Ceravolo, B. Di Pietra, R. Iannucci, F. Margiotta, A. Pannicelli, G. Puglisi, Strumento per l’analisi di
reti energetiche complesse in contesti civili, 2012, Report RdS/2012/078
8.
Danilo Sbordone, Luigi Martirano, Maria Carmen Falvo, Sviluppo e implementazione di moduli in
ambiente, Matlab-Simulink per la realizzazione di un simulatore di rete energetica distribuita, 2012,
Report RdS/2012/079.
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